O que é um sensor de detecção de temperatura com resistor térmico RTD?

Detectores de temperatura de resistência ou RTDs podem ser tipos simples de sensores de temperatura. Esses dispositivos funcionam segundo o princípio de que a resistência de um metal muda com a temperatura. Metais puros geralmente têm um coeficiente de resistência de temperatura positivo, o que significa que sua resistência aumenta à medida que a temperatura aumenta. Os RTDs operam em uma ampla faixa de temperatura -200 ° C a +850 °C e oferecem alta precisão, excelente estabilidade a longo prazo, e repetibilidade.

Detector de temperatura de resistência de platina MAX31865 RTD PT100 & PT1000

RTD PT100 Transmissor de temperatura DC24V menos 50 ~ 100 grau

Sonda do sensor de temperatura RTD Pt100 para forno

Neste artigo, discutiremos as vantagens e desvantagens do uso de RTDs, os metais usados ​​neles, os dois tipos de RTDs, e como os RTDs se comparam aos termopares.

Antes de mergulharmos, vamos dar uma olhada em um exemplo de diagrama de aplicação para entender melhor os princípios básicos de RTD.

RTD Application Diagram Example

RTDs are passive devices that do not generate an output signal on their own. Figura 1 shows a simplified RTD application diagram.

Circuit Diagram for RTD Application Example.jpeg

Figura 1. RTD application diagram example.

The excitation current I1 passes through the temperature-dependent resistance of the sensor. This produces a voltage signal that is proportional to the excitation current and the resistance of the RTD. The voltage across the RTD is then amplified and sent to an ADC (conversor analógico para digital) to produce a digital output code that can be used to calculate the RTD temperature.

Tradeoffs of Using RTD Sensors – Advantages and Disadvantages of RTD Sensors

Antes de mergulharmos, it is important to note that the details of RTD signal conditioning will be covered in a future article. Para este artigo, Quero destacar algumas vantagens básicas ao usar circuitos RTD.

Primeiro, observe que a corrente de excitação é normalmente limitada a cerca de 1 mA para minimizar os efeitos de autoaquecimento. Quando a corrente de excitação flui através do RTD, gera aquecimento I2R ou Joule. Os efeitos de autoaquecimento podem elevar a temperatura do sensor para valores acima da temperatura ambiente que realmente está sendo medida. Reduzir a corrente de excitação pode reduzir o efeito de autoaquecimento. Vale ressaltar também que o efeito de autoaquecimento depende do meio em que o RTD está imerso. Por exemplo, um RTD colocado em ar parado pode experimentar efeitos de autoaquecimento mais significativos do que um RTD imerso em água corrente.

Para uma determinada mudança de temperatura detectável, a mudança na tensão do RTD deve ser grande o suficiente para superar o ruído do sistema, bem como desvios e desvios de diferentes parâmetros do sistema. Como o autoaquecimento limita a corrente de excitação, precisamos usar um RTD com resistência grande o suficiente, gerando assim uma grande tensão para o bloco de processamento de sinal a jusante. Embora uma grande resistência RTD seja desejável para reduzir erros de medição, não podemos aumentar arbitrariamente a resistência porque uma resistência RTD maior resulta em um tempo de resposta mais lento.

Metais IDT: Diferenças entre platina, Ouro, e RTDs de cobre

Em teoria, qualquer tipo de metal pode ser usado para construir um RTD. O primeiro RTD inventado pela CW Siemens em 1860 usei um fio de cobre. No entanto, A Siemens logo descobriu que os RTDs de platina produziam resultados mais precisos em uma faixa de temperatura mais ampla.

Hoje, RTDs de platina são os sensores de temperatura mais amplamente usados ​​para medição precisa de temperatura. A platina tem uma relação linear entre resistência e temperatura e é altamente repetível em uma ampla faixa de temperatura. Além disso, a platina não reage com a maioria dos gases poluentes no ar.

Além da platina, dois outros materiais RTD comuns são níquel e cobre. Mesa 1 fornece os coeficientes de temperatura e condutividade relativa de alguns metais RTD comuns.

Sensor de resistência térmica de platina Pt100 de alta temperatura à prova de explosão

WZP-130 231 Sensor de temperatura PT100 de resistência de platina em aço inoxidável

Sensor de temperatura resistor térmico pt100 para rolamentos

Mesa 1. Coeficientes de temperatura e condutividade relativa de metais RTD comuns. Dados fornecidos pela BAPI

Na seção anterior, we discussed how larger RTD resistance can reduce measurement errors. Copper has a higher conductivity (or equivalently, lower resistance) than platinum and nickel. For a given sensor size and excitation current, a copper RTD can produce a relatively small voltage. Portanto, copper RTDs can be more challenging to measure small temperature changes. Além disso, copper oxidizes at higher temperatures, so the measurement range is also limited to -200 para +260 °C. Despite these limitations, copper is still used in some applications due to its linearity and low cost. Como mostrado na figura 2 below, of the three common RTD metals, copper has the most linear resistance-temperature characteristic.

Resistance vs. Temperature Characteristics of Nickel, Cobre, and Platinum RTDs.jpeg

Figura 2. Resistance vs. temperature characteristics of nickel, cobre, and platinum RTDs. Image courtesy of TE Connectivity

Ouro e prata também têm resistência relativamente baixa e raramente são usados ​​como elementos RTD. O níquel tem uma condutividade próxima à da platina. Como pode ser visto na Figura 2, o níquel oferece uma mudança na resistência para uma determinada mudança na temperatura.

No entanto, o níquel oferece uma faixa de temperatura mais baixa, maior não linearidade, e maior desvio a longo prazo do que a platina. Adicionalmente, a resistência do níquel varia de lote para lote. Por causa dessas limitações, o níquel é usado principalmente em aplicações de baixo custo, como produtos de consumo.

RTDs de platina comuns são Pt100 e Pt1000. Esses nomes descrevem o tipo de metal usado na construção do sensor (platina ou Pt) e a resistência nominal em 0 °C, o que é 100 Ω para Pt100 e 1000 Ω para tipos Pt100 e Pt1000, respectivamente. Os tipos Pt100 eram mais populares no passado; no entanto, today the trend is toward higher resistance RTDs, as higher resistance provides greater sensitivity and resolution at little or no additional cost. RTDs made from copper and nickel use similar naming conventions. Mesa 2 lists some common types.

Mesa 2. RTD types, materials, and temperature ranges. Data provided by Analog Devices

In addition to the type of metal used, the mechanical structure of the RTD also affects sensor performance. RTDs can be divided into two basic types: thin film and wirewound. These two types will be discussed in the following sections.

Thin Film vs. Wirewound RTDs

To further our discussion of RTDs, let’s explore two types: thin film and wirewound.

Thin Film RTD Basics

Thin Film RTD Display Structure.jpeg

The structure of the thin film type is shown in Figure 3(um).

Figura 3. Exemplos de RTDs de filme fino, onde (um) mostra a estrutura e (b) mostra os diferentes tipos gerais. Imagem (modificado) cortesia de Evosensors

Em um RTD de filme fino, uma fina camada de platina é depositada sobre um substrato cerâmico. Isto é seguido por recozimento e estabilização em temperatura muito alta, e uma fina camada protetora de vidro cobrindo todo o elemento. A área de corte mostrada na Figura 3(um) é usado para ajustar a resistência fabricada para um valor alvo especificado.

Os RTDs de filme fino contam com tecnologia relativamente nova que reduz significativamente o tempo de montagem e os custos de produção. Em comparação com o tipo de fio enrolado, que exploraremos em profundidade na próxima seção, RTDs de filme fino são mais resistentes a danos causados ​​por choque ou vibração. Adicionalmente, RTDs de filme fino podem acomodar grandes resistências em uma área relativamente pequena. Por exemplo, um 1.6 mm por 2.6 O sensor mm fornece área suficiente para produzir uma resistência de 1000 Oh. Devido ao seu tamanho pequeno, RTDs de filme fino podem responder rapidamente às mudanças de temperatura. Esses dispositivos são adequados para muitas aplicações de uso geral. As desvantagens deste tipo são a estabilidade relativamente fraca a longo prazo e uma faixa estreita de temperatura..

Wirewound RTDs

Construção de um RTD Wirewound

Figura 4. Visão geral da construção de um RTD de fio enrolado básico. Imagem cortesia da PR Electronics

Este tipo de RTD é feito enrolando um pedaço de platina em torno de um núcleo de cerâmica ou vidro.. Todo o elemento geralmente é encapsulado dentro de um tubo de cerâmica ou vidro para fins de proteção.. RTDs com núcleos cerâmicos são adequados para medir temperaturas muito altas. Os RTDs de fio enrolado são geralmente mais precisos do que os tipos de filme fino. No entanto, eles são mais caros e mais facilmente danificados pela vibração.

Para minimizar qualquer tensão no fio de platina, o coeficiente de expansão térmica do material utilizado na construção do sensor deve corresponder ao da platina. Coeficientes de expansão térmica idênticos minimizam as alterações de resistência causadas pela tensão de longo prazo no elemento RTD, melhorando assim a repetibilidade e estabilidade do sensor.

IDT versus. Propriedades do termopar

Para encerrar esta conversa sobre sensores de temperatura RTD, aqui está uma breve comparação entre sensores RTD e termopares.

Um termopar produz uma tensão que é proporcional à diferença de temperatura entre suas duas junções.. Os termopares são autoalimentados e não requerem excitação externa, enquanto as medições de temperatura baseadas em RTD requerem uma corrente ou tensão de excitação. A saída do termopar especifica a diferença de temperatura entre as junções frias e quentes, portanto, a compensação de junta fria é necessária em aplicações de termopares. Por outro lado, a compensação de junta fria não é necessária para aplicações RTD, resultando em um sistema de medição mais simples.

Os termopares são normalmente usados ​​no -184 ° C a 2300 Faixa °C, enquanto os RTDs podem medir desde -200 ° C a +850 °C. Embora os RTDs sejam geralmente mais precisos que os termopares, eles são aproximadamente duas a três vezes mais caros que os termopares. Outra diferença é que os RTDs são mais lineares que os termopares e apresentam estabilidade superior a longo prazo.. Com termopares, alterações químicas no material do sensor podem reduzir a estabilidade a longo prazo e fazer com que a leitura do sensor se desvie.